【引言】

碳纖維增強(qiáng)高聚物復(fù)合材料（CFRPC）正廣泛應(yīng)用于汽車、高強(qiáng)高導(dǎo)航空、度高電性電子、韌性能源和生物醫(yī)藥技術(shù)領(lǐng)域。序交然而，聯(lián)石碳纖維復(fù)合材料存在很多缺點(diǎn)，墨烯而這些缺點(diǎn)無論從技術(shù)角度還是薄膜從經(jīng)濟(jì)的角度來看，都會(huì)限制其更廣泛的材料應(yīng)用。該材料在應(yīng)用時(shí)主要存在以下缺點(diǎn)：

1. 碳纖維復(fù)合材料力學(xué)性能具有準(zhǔn)各向同性；

2. 由于較弱的高強(qiáng)高導(dǎo)界面作用，碳纖維與聚合物基體之間容易發(fā)生分層；

3. 碳纖維復(fù)合材料的度高電性電學(xué)性能較低，不能滿足特殊應(yīng)用需求。韌性

碳基納米材料（單一碳納米管和單層石墨烯片）具有優(yōu)異的序交力學(xué)和電學(xué)性能（主要原因是該類材料具有sp²雜化軌道作用以及幾乎無缺陷結(jié)構(gòu)），已經(jīng)成為制備新型高性能納米復(fù)合材料的聯(lián)石理想材料之一。而如何將廉價(jià)、墨烯易得的薄膜氧化石墨烯納米片用于組裝高性能石墨烯復(fù)合材料，仍然面臨著許多挑戰(zhàn)。

【成果簡介】

最近，北京航空航天大學(xué)化學(xué)學(xué)院程群峰教授和德克薩斯大學(xué)達(dá)拉斯分校Ray H. Baughmanc教授（共同通訊作者）在PNAS發(fā)表題為“Sequentially bridged graphene sheets with high strength, toughness, and electrical conductivity”的研究論文，文中開發(fā)了一種低溫π-π共軛鍵和共價(jià)鍵有序交聯(lián)策略。研究者們研究了兩種可用于連接石墨烯片的交聯(lián)作用（共價(jià)鍵和π-π鍵）， 結(jié)果表明，如果只應(yīng)用一種交聯(lián)作用，π-π共軛鍵對于連接石墨烯片更有效。然而，當(dāng)π-π鍵和共價(jià)鍵的配比達(dá)到最佳時(shí)，可獲得強(qiáng)度、韌性、抗疲勞性、導(dǎo)電性、電磁屏蔽性能以及抗超聲溶解性等性能最佳的石墨烯薄膜。此外，石墨烯薄膜的規(guī)整取向度會(huì)隨著鍵合作用的有效性和層間距的增加而增加。同時(shí)，這種仿生無樹脂石墨烯薄膜的抗拉強(qiáng)度（945 MPa）高于碳納米管或石墨烯復(fù)合材料，甚至可與市售的碳纖維復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度相媲美。這些復(fù)合材料（包含π-π鍵和共價(jià)鍵）的韌性遠(yuǎn)高于其他材料（所有平面方向上都具有高強(qiáng)度）的韌性。

【圖文導(dǎo)讀】

圖一SBG（有序交聯(lián)石墨烯）薄膜的制備與結(jié)構(gòu)表征

（A）采用過濾法將GO（氧化石墨烯）碎片組裝成GO片，然后將PCO（10,12-二十五碳二炔-1-醇）浸滲入GO片內(nèi)并用紫外線（UV）照射GO片使其聚合；接下來，將GO-PCO置于HI中使其還原；之后將PSE和AP依次浸入GO片中，PSE和AP相互反應(yīng)形成PSEAP分子，這種分子可在rGO層間形成π鍵

（B）SBG薄膜中不同碎片的rGO層間可能產(chǎn)生的邊緣連接結(jié)構(gòu)模型示意圖

（C）表示SBG薄膜柔性的照片

（D）已經(jīng)斷裂的SBG薄膜橫截面的低分辨SEM圖像

（E）（D）中方框部分的高分辨SEM圖像

（F）-（I）分別代表 rGO、G-PCO、πBG-V和SBG-V薄膜002峰的方位掃描分布圖和寬角度X射線掃描（WAXS）圖譜（入射光束平行于薄膜平面）

圖二各種材料的抗拉強(qiáng)度和韌性

圖的上部表示rGO、G-PCO、πBG-V和SBG-V的抗拉強(qiáng)度與韌性，圖的下部表示這些類型的薄膜分別在NMP、DMF、NaOH (OH^- 濃度為8 mol·L^-1)、H₂SO₄(H⁺ 濃度為8 mol·L^-1)和水中超聲時(shí)首次出現(xiàn)破壞所需要的時(shí)間

圖三SBG薄膜的性能

（A）rGO、G-PCO、πBG-V和SBG-V薄膜典型的應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖

（B）SBG-V薄膜與其他材料（這些材料在所有平面取向上都具有高強(qiáng)度）的抗拉強(qiáng)度和韌性，其中紅星、綠色符號、橙色符號和紫色符號分別代表SBG-V、碳纖維復(fù)合材料、碳納米管薄膜復(fù)合材料以及石墨烯薄膜復(fù)合材料

（C）SBG-V薄膜與其他金屬的重量比強(qiáng)度

（D）rGO、GPCO、πBGV和SBG-V薄膜的循環(huán)疲勞壽命與最大應(yīng)力的關(guān)系曲線圖

（E）rGO、GPCO、πBGV和SBG-V薄膜的重量比電導(dǎo)率和絕對電導(dǎo)率

（F）rGO、GPCO、πBGV和SBG-V薄膜（厚度為3.3-3.8 μm）的電磁屏蔽性能與頻率的關(guān)系曲線圖

圖四各種薄膜的拉曼頻率的下移與應(yīng)變的關(guān)系

（A）-（D）分別表示rGO、GPCO、πBGV和SBG-V薄膜的拉曼頻率下移與應(yīng)變的依賴關(guān)系，圖中右上角表示零應(yīng)變下薄膜的光學(xué)圖像，左下角表示拉曼頻率的空間分布（所有的圖像面積都是400 μm²）；比例尺表示圖像中的顏色與拉曼頻率之間的關(guān)系

【小結(jié)】

該研究通過原位拉曼表征，從分子尺度揭示了π-π共軛鍵和共價(jià)鍵有序界面交聯(lián)作用的強(qiáng)韌機(jī)制，為制備高性能石墨烯納米復(fù)合材料提供了重要理論指導(dǎo)。此外，該研究還發(fā)現(xiàn)，這種有序交聯(lián)石墨烯薄膜的拉伸強(qiáng)度和韌性分別達(dá)到945 MPa（部分薄膜可超過1 GPa）和20.6 MJ·m^-3，是無交聯(lián)石墨烯薄膜的4.5和7.9倍；而且該石墨烯薄膜（厚度為3.3-3.8 μm）也具有高導(dǎo)電性（512 S·cm^-1），高電磁屏蔽性能（在0.3~12 GHz范圍內(nèi)，電磁波段的屏蔽效能約為27 dB）以及優(yōu)異的抗腐蝕性能和抗疲勞性能。因此，這種廉價(jià)低溫有序交聯(lián)的石墨烯納米復(fù)合材料在航空、航天、汽車、柔性電子器件等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

文獻(xiàn)鏈接：Sequentially bridged graphene sheets with high strength, toughness, and electrical conductivity（PNAS, 2018, DOI: 10.1073/pnas.1719111115）

【團(tuán)隊(duì)介紹】

程群峰，1981年12月生，北京航空航天大學(xué)化學(xué)學(xué)院，教授，博士生導(dǎo)師。2003年獲河南大學(xué)學(xué)士學(xué)位，2008年獲浙江大學(xué)高分子化學(xué)與物理博士學(xué)位，后分別在清華大學(xué)、美國佛羅里達(dá)州立大學(xué)從事博士后研究。2010年就職于北京航空航天大學(xué)化學(xué)學(xué)院，2016年入選教育部青年長江學(xué)者，2016年獲得中國化學(xué)會(huì)青年化學(xué)獎(jiǎng)，2015年獲國家優(yōu)秀青年基金資助，2014年獲第十四屆霍英東基金資助，2012年入選教育部“新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃”和“北京市科技新星”。

程群峰教授研究團(tuán)隊(duì)主要從事仿生納米復(fù)合材料的研究工作，圍繞納米復(fù)合材料的“界面作用及協(xié)同效應(yīng)”這一關(guān)鍵科學(xué)問題，取得了一系列研究進(jìn)展，提出了一種仿生構(gòu)筑高強(qiáng)、高韌納米復(fù)合材料的普適性策略。發(fā)表SCI論文61篇，含1篇PNAS, 1篇Acc. Chem. Res.，2篇Chem. Soc. Rev. (2篇封面論文)，4篇Angew. Chem., Int. Ed. (2篇封面論文)，5篇Adv. Mater. (3篇封面論文)，7篇ACS Nano，4篇Adv. Funct. Mater. (2篇封面論文)，其中影響因子>10的論文24篇，論文引用2300余次，H因子24，授權(quán)中國專利8項(xiàng)，部分研究成果被Nature選為研究亮點(diǎn)報(bào)道。

程群峰教授的課題組網(wǎng)站鏈接：http://chengresearch.net/zh/home-cn/